CN106353572B - 输出端掉电检测装置及具有该装置的开关转换电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出端掉电检测装置，包含一控制单元、一变压器及一掉电检测单元；掉电检测单元包含一电压调整器、一掉电检测比较器、一间隙控制开关及一间隙控制器；当开关电源输出端的输出电压小于掉电检测比较器的阈值时，掉电检测比较器输出一输出端掉电检测信号至间隙控制器，间隙控制器控制间隙控制开关导通，进而输出端掉电检测信号通过变压器传输至控制单元。本发明还公开了一种具有上述输出端掉电检测装置的开关转换电源系统。

Description

输出端掉电检测装置及具有该装置的开关转换电源系统

技术领域

本发明涉及一种输出端掉电检测装置，具体地说，涉及一种离线式原边调整的AC/DC开关转换电源系统的输出端掉电检测装置。

背景技术

请参照图1，图1为一现有技术的输出端掉电检测装置的示意图。如图1所示的输出端掉电检测装置包含：一基准电压源LT431、一光耦PC817、二个分压电阻R₃、R₄及一个限流电阻R5，输出端电压Vout通过电阻R3和R4分压，连接到TL431基准端，TL431的阴极连接光耦的发光二极管的阴极，光耦PC817的发光二极管的阳极通过限流电阻R5连接输出端。正常工作时，输出端电压V_out通过电阻R3和R4分压，光耦PC817的发光二极管的电流受限流电阻R₅作用，此时最大；输出端掉电时，跌落后的输出电压V_out为V_out’，Vout’通过电阻R3和R4分压后，光耦PC817的发光二极管的电流很小，接近为0。光耦PC817的接收管集电极连接FB检测器。FB检测器通过判断光耦PC817的接收管集电极电流来确定输出端是否掉电。

请参照图2，图2为另一现有技术的输出端掉电检测装置的示意图。如图2所示的输出端掉电检测装置包含：一振荡器、一基准源、一比较器121、一电压调整器122及二个分压电阻R₃、R₄，输出端电压Vout通过电阻R4连接电压调整器122、基准源和比较器121。电压调整器122提供比较器121和振荡器电源；基准源产生基准电压V_ref，基准电压V_ref作为电压调整器122和比较器121基准；比较器121通过输出电压V_out与基准电压V_ref，判断是否掉电，控制振荡器工作。正常工作时，关闭振荡器；输出端掉电时，跌落后的输出电压V_out为V_out’，V_out’输入比较器121，比较器121输出端发生翻转，去控制振荡器工作；振荡器受比较器121控制，振荡器工作的输出信号经R3耦合到变压器的副边线圈同名端；变压器的原边线圈同名端接收到振荡信号，即掉电检测信号，并通过电阻R1和R2分压后，进入FB检测器。FB检测器通过对收到振荡信号的大小和周期判断，来确定输出端是否掉电。

虽然上述两种装置可以实现输出端掉电检测，但是仍然存在以下缺陷：

1、第一种方式由于基准电压源LT431和光耦PC817无法集成在一个集成电路内，且成本相对较高；

2、第二种方式的基准电压源、调整器、比较器和振荡器可集成在一个集成电路内，仍存在基准电压源需要修调、比较器的阈值需根据开关电源输出不同的电压V_out来调整及振荡器输出动态范围太小等缺点。

因此，急需开发一种克服上述缺陷的输出端掉电检测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种输出端掉电检测装置，应用于一开关转换电源系统，包含一控制单元、一变压器及一掉电检测单元，所述控制单元电性连接于所述变压器的一主边线圈与一原边线圈，所述控制单元与所述主边线圈还电性连接于一开关电源输入端，所述掉电检测单元电性连接于所述变压器的一副边线圈，所述掉电检测单元与所述副边线圈还电性连接于一开关电源输出端，其中，所述掉电检测单元包含：

一电压调整器，其输入端电性连接于所述副边线圈的异名端，所述电压调整器的参考端电性连接于所述开关电源输出端；

一掉电检测比较器，其一输入端电性连接于所述开关电源输出端，所述掉电检测比较器的另一输入端通过一第一分压电阻电性连接于所述电压调整器的一输出端；

一间隙控制开关，其一端电性连接于所述电压调整器的输出端，所述间隙控制开关的另一端电性连接于所述副边线圈的异名端；以及

一间隙控制器，电性连接于所述电压调整器的输入端与所述掉电检测比较器的一输出端，所述间隙控制器控制所述间隙控制开关导通；

其中，当所述开关电源输出端的一输出电压小于所述掉电检测比较器的一阈值时，所述掉电检测比较器输出一输出端掉电检测信号至所述间隙控制器，所述间隙控制器控制所述间隙控制开关导通，进而所述输出端掉电检测信号通过所述变压器传输至所述控制单元。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述掉电检测单元还包含一储能电容，所述电压调整器的输出端与所述间隙控制开关的一端通过所述储能电容接地。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述掉电检测单元还包含一第二分压电阻，所述掉电检测比较器的另一输入端通过所述第二分压电阻接地。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述电压调整器的输出端的一输出电压Va＝k₁×V_out，k₁为大于1的比例系数，其中V_c为所述储能电容电压，V_out为所述开关电源输出端的输出电压。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述掉电检测比较器的阈值为(k₁×k₂)×V_out，k₂为一小于1的比例系数，k₂＝R₂/(R₁+R₂)，R₁为第一分压电阻阻值；R₂为第二分压电阻阻值。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述控制单元包含：

一开关信号控制器，电性连接于所述开关电源输入端、所述主边线圈的异名端及所述原边线圈的同名端；

一功率开关管，其控制极电性连接于所述开关信号控制器，所述功率开关管的高压极电性连接于所述主边线圈的同名端，所述功率开关管的低压极电性连接于所述开关信号控制器与一电流采样电阻；

一FB检测器，其输入端分别通过一第三分压电阻电性连接于所述原边线圈的同名端与所述开关信号控制器，所述FB检测器的输入端还通过一第四分压电阻接地，所述FB检测器的输出端电性连接于所述开关信号控制器；

其中，所述FB检测器接收所述原边线圈感应到的所述掉电检测信号并产生一控制信号，所述开关信号控制器根据所述控制信号控制所述功率开关管导通以及导通时间。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述FB检测器接收至少两次所述掉电检测信号后产生所述控制信号。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述掉电检测比较器为一无需基准电压的开关电源输出端掉电检测比较器。

上述的输出端掉电检测装置，其中，所述功率开关管为一MOS型功率开关管或为一双极型功率开关管。

本发明还提供了一种开关转换电源系统，其中，包含上述中任一项所述的输出端掉电检测装置。

本发明的输出端掉电检测装置针对于现有技术其功效在于：

(1)掉电检测单元能够集成于一集成电路中，且成本较低，无需基准电压源修调；

(2)掉电检测比较器的阈值无需根据开关电源输出不同的电压V_out来调整。

具有本发明输出端掉电检测装置的开关转换电源系统，只要保证在无负载工作时输出端电压纹波，休眠时间可以设计的很长。一旦出现开关电源输出端掉电，掉电检测装置就控制开关功率管迅速导通以及合适的导通时间，从而可实现极低的待机功耗，同时具有优良的重启输出动态性能。

附图说明

图1为一现有技术的输出端掉电检测装置的示意图；

图2为另一现有技术的输出端掉电检测装置的示意图；

图3为本发明输出端掉电检测装置的示意图。

其中，附图标记：

11：控制单元

111：开关信号控制器

112：FB检测器

12：掉电检测单元

121：掉电检测比较器

122：电压调整器

i：电压调整器输入端

c：电压调整器参考端

o：电压调整器输出端

123：间隙控制器

SW：间隙控制开关

T：变压器

NP：主边线圈

NA：原边线圈

NS：副边线圈

in：开关电源输入端

V_in:开关电源输入端的输入电压

out：开关电源输出端

V_out:开关电源输出端的输出电压

R₁、R₂、R₃、R₄：分压电阻

R_cs：电流采样电阻

C：储能电容

Co：滤波电容

Q：功率开关管

V_a：电压调整器的输出电压

k_1、k₂：比例系数

D：整流二极管

S：掉电检测比较器的阈值

○：同名端

具体实施方式

兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。

请参见图3，图3为本发明输出端掉电检测装置的示意图。如图3所示，本发明的输出端掉电检测装置包含：一控制单元11、一变压器T及一掉电检测单元12；控制单元11电性连接于变压器T的一主边线圈NP与一原边线圈NA，控制单元11与主边线圈NP还电性连接于一开关电源输入端in，掉电检测单元12电性连接于变压器T的一副边线圈NS，掉电检测单元12与副边线圈NS还电性连接于一开关电源输出端out，当变压器T处于休眠时期时，掉电检测单元12检测开关电源输出端out的一输出电压V_out，当输出电压V_out小于一阈值时，掉电检测单元12产生一输出端掉电检测信号，输出端掉电检测信号通过变压器T传输至控制单元11，控制单元11根据输出端掉电检测信号控制开关电源输入端in与变压器导通T。

进一步地，本发明输出端掉电检测装置的掉电检测单元12还包含：一电压调整器122、一掉电检测比较器121、一间隙控制开关SW、一间隙控制器123、二个分压电阻R₁、R₂及一储能电容C。其中，电压调整器122的输入端i电性连接于副边线圈NS的异名端，电压调整器122的参考端c电性连接于开关电源输出端out，电压调整器122的输出端o通过储能电容C接地，储能电容C用以防止电压调整器122的输出电压V_a不能迅速减小；掉电检测比较器121的一个输入端电性连接于开关电源输出端out，掉电检测比较器121的另一输入端通过第一分压电阻R₁电性连接于电压调整器122的输出端且还通过第二分压电阻R₂接地；间隙控制开关SW的一端电性连接于电压调整器122的输出端o且通过储能电容C接地，其另一端电性连接于副边线圈NS的异名端；间隙控制器123的一输入端电性连接于掉电检测比较器121的输出端，其另一输入端电性连接于副边线圈NS的异名端，间隙控制器123的输出端控制间隙控制开关SW导通；滤波电容Co一端电性连接于开关电源输出端out，滤波电容Co的另一端电性连接于副边线圈NS的异名端及开关电源输出地；整流二极管D的负极电性连接于副边线圈NS的异名端，整流二极管D的正极电性连接于开关电源输出地。

当输出电压V_out小于掉电检测比较器121的阈值S时，掉电检测比较器121输出一输出端掉电检测信号至间隙控制器123，间隙控制器123控制间隙控制开关SW导通，输出端掉电检测信号通过变压器T传输至控制单元11，掉电检测比较器121的阈值S为(k₁×k₂)×Vout，其中，k₁为大于1的比例系数，其中V_c为所述储能电容电压，V_out为所述开关电源输出端的输出电压；k₂为一小于1的比例系数，k₂＝R₂/(R₁+R₂)，R₁为第一分压电阻阻值；R₂为第二分压电阻阻值。另，在本实施例中，掉电检测比较器为一无需基准电压的开关电源输出端掉电检测比较器，但本发明并不以此为限。

再进一步地，本发明输出端掉电检测装置的控制单元11更包含：一开关信号控制器111、一功率开关管Q、一FB检测器112、二个分压电阻R₃、R₄以及一电流采样电阻R_cs；开关信号控制器111电性连接于开关电源输入端in、主边线圈NP的异名端及原边线圈NA的同名端；功率开关管Q的控制极电性连接于开关信号控制器111，功率开关管Q的高压极电性连接于主边线圈NP的同名端，功率开关管Q的低压极电性连接于开关信号控制器111与电流采样电阻R_cs；FB检测器112的输入端分别通过第三分压电阻R₃电性连接于原边线圈NA的同名端，FB检测器112的输入端还通过第四分压电阻R₄接地，FB检测器112的输出端电性连接于开关信号控制器111。其中，FB检测器112通过接收原边线圈NA感应到的掉电检测信号并产生一控制信号至开关信号控制器111，开关信号控制器111根据控制信号控制功率开关管Q的导通以及导通时间。

另，功率开关管Q可为一MOS型功率开关管或为一双极型功率开关管，当功率开关管Q为一MOS型功率开关管时，主边线圈NP的同名端电性连接于MOS型功率开关管的漏极，开关信号控制器111电性连接于MOS型功率开关管的栅极；当功率开关管Q为一双极型功率开关管时，主边线圈NP的同名端电性连接于双极型功率开关管的集电极，开关信号控制器111电性连接于双极型功率开关管的基极。

更近一步地；电压调整器122的输出电压为V_a且V_a＞V_out，V_out为所述开关电源输出端out的输出电压，V_a＝k₁×V_out，k₁为大于1的比例系数，其中V_c为所述储能电容电压，V_out为所述开关电源输出端的输出电压；掉电检测比较器121的阈值S为(k₁×k₂)×V_out，k₂为小于1的比例系数k₂＝R₂/(R₁+R₂)，R₁为第一分压电阻阻值；R₂为第二分压电阻阻值。

下面结合图3，具体说明本发明输出端掉电检测装置的工作过程：

1、在开关功率管Q导通期间ton内，变压器T为磁化时期，主边线圈NP两端电压为开关电源的输入电压V_in，副边线圈NS两端电压为(NS/NP)V_in，副边线圈NS同名端电位为开关电源输出电压V_out，则副边线圈NS异名端电位为V_out+(NS/NP)V_in，且V_out+(NS/NP)V_in＞V_out。副边线圈NS异名端电压调整器122的输入端相连接，电压调整器122的参考电平为V_out，电压调整器122很容易实现输出电压V_a＝k₁×V_out，k₁为大于1的比例系数，其中V_c为所述储能电容电压，V_out为所述开关电源输出端的输出电压，且k₁×V_out＜V_out+(NS/NP)V_in。

2、在开关功率管Q关闭期间toff内，变压器T存在去磁时期和休眠时期。在去磁时期开关电源输出电压V_out是增加的，即是开关电源输出端的负载出现很重变化甚至短路，变压器T去磁时期只会很大的缩小甚至迅速结束，然后进入休眠时期。

休眠时期的长短与开关转换电源系统的负载大小成反比，即无负载的情况下，开关转换电源系统的休眠时期很长，会达到几百毫秒。若在这个期间出现输出掉电，即使正常负载恢复，开关转换电源系统仍需几百毫秒后重启，输出端需更长时间才能达到所要的输出电压。这种现象用户是不允许的。一般要求：掉电后，恢复正常负载，输出端需在100毫秒内达到所要的输出电压。若要达到这样要求，必须在掉电后迅速使开关转换电源系统离开休眠状态。这就是掉电检测的目的。

在休眠时期，开关电源输出端out的输出电压V_out出现跌落，跌落后的开关电源输出端out的输出电压V_out为V_out’，当V_out’低于掉电检测的阈值S时，间隙控制器123被开启，只要副边线圈NS异名端电位低于电压调整器122的输出电压V_a，则间隙控制器123控制间隙控制开关SW被闭合。此时副边线圈NS异名端电位等于电压调整器122的输出电压V_a，原边线圈NA的两端电压为-(NA/NS)×(V_a-V_out’)。在变压器T的原边线圈NA感应到输出端掉电检测信号，此信号输入FB检测器112处理后产生一控制信号，控制信号传输至开关信号控制器111，开关信号控制器111根据控制信号控制开关功率管Q迅速导通以及合适的导通时间。开关功率管Q导通后，变压器T结束休眠时期进入磁化时期，副边线圈NS同名端电位为开关电源输出电压V_out。

间隙控制器123在变压器T为磁化时期和去磁时期将控制开关SW无法闭合。

另外，为了提高抗干性，FB检测器112只有接收两次原边线圈NA感应到开关电源输出端掉电检测信号才控制开关功率管迅速导通以及合适的导通时间。间隙控制器123被开启副边线圈NS异名端电位迅速增加到电压调整器122的输出电压V_a，经过适当的延时(微秒级单位)，间隙控制器123关闭间隙控制开关SW。只要开关功率管Q不导通，这样的间隙工作就一直存在，直至输出电压V_a减少到间隙控制器123无法开启。

本发明还提供了一种开关转换电源系统，包含上述的输出端掉电检测装置。现有技术离线式原边控制的AC/DC开关转换器在无负载工作时，若设计很长时间的休眠，就会造成重启输出动态也非常缓慢。为了兼顾重启输出动态性能，AC/DC开关转换器的休眠时间不能太长，也就是最低损耗无法很小，只能用假负载来损耗，而本发明提供的输出端掉电检测的开关转换电源系统在不用假负载的情况下，只要保证在无负载工作时输出端电压纹波，休眠时间可以设计的很长。一旦出现开关电源输出端掉电，掉电检测装置就控制开关功率管迅速导通以及合适的导通时间，从而可实现极低的待机功耗，同时具有优良的重启输出动态性能。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种输出端掉电检测装置，应用于一开关转换电源系统，包含一控制单元、一变压器及一掉电检测单元，所述控制单元电性连接于所述变压器的一主边线圈与一原边线圈，所述控制单元与所述主边线圈还电性连接于一开关电源输入端，所述掉电检测单元电性连接于所述变压器的一副边线圈，所述掉电检测单元与所述副边线圈还电性连接于一开关电源输出端，其特征在于，所述掉电检测单元包含：

一电压调整器，其输入端电性连接于所述副边线圈的异名端，所述电压调整器的参考端电性连接于所述开关电源输出端；

一掉电检测比较器，其一输入端电性连接于所述开关电源输出端，所述掉电检测比较器的另一输入端通过一第一分压电阻电性连接于所述电压调整器的一输出端；

一间隙控制开关，其一端电性连接于所述电压调整器的输出端，所述间隙控制开关的另一端电性连接于所述副边线圈的异名端；以及

一间隙控制器，电性连接于所述电压调整器的输入端与所述掉电检测比较器的一输出端，所述间隙控制器控制所述间隙控制开关导通；

其中，当所述开关电源输出端的一输出电压小于所述掉电检测比较器的一阈值时，所述掉电检测比较器输出一输出端掉电检测信号至所述间隙控制器，所述间隙控制器控制所述间隙控制开关导通，进而所述输出端掉电检测信号通过所述变压器传输至所述控制单元。

2.如权利要求1所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述掉电检测单元还包含一储能电容，所述电压调整器的输出端与所述间隙控制开关的一端通过所述储能电容接地。

3.如权利要求2所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述掉电检测单元还包含一第二分压电阻，所述掉电检测比较器的另一输入端通过所述第二分压电阻接地。

4.如权利要求3所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述电压调整器的输出端的一输出电压Va＝k₁×V_out，k₁为大于1的比例系数，其中V_c为所述储能电容电压，V_out为所述开关电源输出端的输出电压。

5.如权利要求4所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述掉电检测比较器的阈值为(k₁×k₂)×V_out，k₂为一小于1的比例系数，k₂＝R₂/(R₁+R₂)，R₁为第一分压电阻阻值；R₂为第二分压电阻阻值。

6.如权利要求1所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述控制单元包含：

一开关信号控制器，电性连接于所述开关电源输入端、所述主边线圈的异名端及所述原边线圈的同名端；

一功率开关管，其控制极电性连接于所述开关信号控制器，所述功率开关管的高压极电性连接于所述主边线圈的同名端，所述功率开关管的低压极电性连接于所述开关信号控制器与一电流采样电阻；

一FB检测器，其输入端分别通过一第三分压电阻电性连接于所述原边线圈的同名端与所述开关信号控制器，所述FB检测器的输入端还通过一第四分压电阻接地，所述FB检测器的输出端电性连接于所述开关信号控制器；

其中，所述FB检测器接收所述原边线圈感应到的所述掉电检测信号并产生一控制信号，所述开关信号控制器根据所述控制信号控制所述功率开关管导通以及导通时间。

7.如权利要求6所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述FB检测器接收至少两次所述掉电检测信号后产生所述控制信号。

8.如权利要求7所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述掉电检测比较器为一无需基准电压的开关电源输出端掉电检测比较器。

9.如权利要求8所述的输出端掉电检测装置，其特征在于，所述功率开关管为一MOS型功率开关管或为一双极型功率开关管。

10.一种开关转换电源系统，其特征在于，包含上述权利要求1-9任一项所述的输出端掉电检测装置。